Schalteinrichtung zur Herstellung von Kurzschlüssen in Wechselstromkreisen und Unterdrückung des Gleichstromgliedes des Nurzschlussstromes. Es sind Schalter mit Vorkontaktwider- ständen bekannt, die dazu dienen, beim Schalten verschiedener Stromkreise teils die Schaltüberspannungen, teils die Schaltüber- ströme zu vermeiden.
Für den letztgenannten Zweck wurde der Vorkontaktwiderstand im allgemeinen für den Rush-Strom bemessen, welcher beim Einschalten eisenhaltiger Re aktanzen entsteht und Werte vom Vielfachen (10<B>...</B> 100-fachen) des Einschaltstromes be tragen kann.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Schalteinrichtung, welche gleich falls aus einem Einschaltapparat mit Vor kontaktwiderstand besteht, jedoch zu dem Zwecke, Wechselstromkreise kurzzuschliessen und als Besonderheit die hierbei auftretenden Unsymmetrien möglichst weitgehend zu un terdrücken.
Der Kurzschlussstrom eines Wechselstrom kreises besteht nämlich aus einer symmetrisch zur Nullinie verlaufenden Komponente, dem sogenannten Wechselstromglied 10, siehe Fig. 1, welchem sich bei überwiegend induk tiven Stromkreisen ein Gleichstromglied 11 überlagert, das in bezug auf die Perioden dauer des Wechselstromes relativ langsam abklingt.
Durch dieses Gleichstromglied, des sen Grösse von der Phasenlage des Augen blickes des Kurzschliessens abhängt, wird die erste Amplitude des Kurzschlussstromes auf beinahe den doppelten Wert vergrössert (ver gleiche Fig. 1, Jg). Berücksichtigt man, dass die elektro - dynamischen Stromwirkungen mit dem Quadrat des Momentwertes des Stro mes ansteigen, so erkennt man die Wichtig keit der Verringerung des Gleichstromgliedes besonders für Stromkreise mit sehr gro ssen Kurzschlussströmen von beispielsweise <B>100000</B> A und darüber.
Wenn es gelingt, das Gleichstromglied praktisch vollständig für jeden Einschaltaugenblick zu unter- drücken, so gehen die elektrodynamischen Stromkräfte auf beinahe M zurück. Dadurch wird es ermöglicht, in Schaltanlagen mit sehr grossen Kurzschlussströmen die Sammelschie nen und Schaltgeräte erheblich kleiner aus zulegen, wodurch an Material und Kosten er heblich gespart, werden kann.
Es ist nun bekannt dass das Entstehen des Gleichstromgliedes durch synchrones Kommando für den Einschaltapparat verhin dert werden kann, indem die Kontakte in dem Augenblick geschlossen werden, in dem der stationäre Strom durch Null geht. Derar tige Einrichtungen bergen jedoch noch erheb liche Gefahren in sich. da eine Abweichung von der beabsichtigten Zeit um nur wenige tausendstel Sekunden bereits wieder zu einem sehr hohen Gleichstromglied führt. Es ist aber sehr schwierig, schwere Schaltstücke für hohe Stromstärken mit einer solchen Genauig keit zu bewegen.
Im Gegensatz hierzu gibt die Erfindung die Möglichkeit, unabhängig von der jewei ligen Phasenlage des Einschaltaugenblickes das jeweils entstehende Gleichstromglied sicher unter einem bestimmten in bezug auf die Wirkung praktisch vernachlässigbaren Wert zu halten.
Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Schalteinrichtung für eine einphasige Anlage ist in der Zeichnung in Fig. 4 dargestellt. Hierbei sind mit 1 und 2 die beiden durch gehenden Leiter bezeichnet, die durch ein Schaltmesser 3 miteinander verbunden wer den können. Parallel hierzu ist über eine. Lei tung 4 ein Widerstand 5 geschaltet, der mit Hilfe eines Schaltmessers 6 über einen Kon takt 7 mit der Leitung 2 verbunden erden kann. Die beiden Schaltmesser 3 und 6 sind über ein Gestänge 7 mit einer Antriebskurbel 8 verbunden. Bei der Betätigung dieser Kur bel im t hrzeigersinn wird zunächst das Schaltmesser 6 und nach einer vorbestimmten durch die Bewegungsgeschwindigkeit der Kurbel 8 bestimmten Zeit. das Schaltmesser 3 eingeschaltet.
Die Arbeitsweise der Schalteinrichtung ist folgende: Zunächst wird der Stromkreis über den Vorkontaktwiderstand ä geschlos sen. Hierbei entsteht zwar. abhängig von der Phasenlage des Einschaltaugenblickes ein Gleichstromglied. Dieses klingt jedoch umso schneller ab, je grösser der Widerstand ist.
Es lässt sich zum Beispiel durch Vergrösserung des Widerstandes erreichen, dass das Gleich stromglied bereits nach einer Halbwelle des Wechselstromes praktisch ganz abgeklungen ist (vergleiche Fig. ?, Gleichstromglied 1.?), se, da.ss die grösste Amplitude des Kurzschluss- stromes J. praktisch nicht grösser ist als der Scheitelwert des stationären Kurzschlussstro- in.es. Um ein so schnelles Abklingen zu er reichen,
muss jedoch der Widerstand einen relativ zur Reaktanz des Stromkreises grossen Wert besitzen, so dass er nicht lange im Stromkreis bleiben kann, da er sonst zuviel Energie verbrauchen würde. Der Widerstand soll daher möglichst bald kurz geschlossen werden. In diesem Au--eni-,lielz entsteht. von neuem ein Gleichstromglied, welches wieder um von der Phasenlage des Schaltaugen blickes und ausserdem von der Grösse des Widerstandes abhängig ist. Dadurch könnte unter Umständen der Scheitelwert des statio nären Kurzsehlussstromes unzulässig ver grössert werden.
Die günstigste Bemessung des Widerstandes ist also diejenige, bei der sowohl beim Einschalten des Widerstandes in den Stromkreis als auch beim Kurz schliessen des Widerstandeein möglichst klei nes CTleichstromglied entsteht.
Diese Grösse kann folgendermassen ermittelt werden: Be zeichnet man mit. (E, die Phasenverschiebung zwischen E31K und Strom<I>bei</I> ei,rigeschalte- tem. T"orkoiitaktividerstaiid, so gibt, da die Tangente dieses Winkels das Verhältnis von Induktivität zum Ohm'schen Widerstand dar stellt, auch der cos (i-, welchen man auch den Leistungsfaktor des Stromkreises nennt, eine Beziehung zwischen Widerstand und Reck tanz des Stromkreises.
Dabei bedeutet bei be stimmter Grösse der Recktanz der Fall cos p --: 0, dass kein Widerstand im Stromkreis ist. der Fall cos g = 1, dass der Widerstand unendlich gross ist. In Fig. 3 sind die Ver hältnisse graphisch dargestellt. Es ist dort in Abhängigkeit von cos cp das Gleichstrom glied aufgetragen, das sich bei der ungünstig sten Phasenlage des Schaltaugenblickes er gibt, und zwar in Kurve 13 für das Einschal ten des Widerstandes in den Stromkreis, in Kurve 14 für das Kurzschliessen des Wider standes.
Man erkennt, dass mit zunehmendem Widerstand (grösser werdenden cos cp) die Kurve 13 abnimmt, die Kurve 14 zunimmt. (Bei der letzteren ist angenommen, dass auch nach dem Kurzschliessen des Widerstandes ein gewisser Restwiderstand im Stromkreis verbleibt, der einem cos 9p - 0,1 entspricht.) Der Schnittpunkt der beiden Kurven 13 und 1,4 gibt nun das Optimum an, bei dem die Gleichstromglieder einander gleich sind und etwa noch 25 % des Scheitelwertes des statio nären Kurzschlussstromes betragen.
Dies ist, wie sich auch rechnerisch ermitteln lässt, bei einem cos P - 0,37 der Fall, was einem Ver hältnis von induktivem zum ohm'schen Widerstand c) LIR <I>=</I> 2,5 entspricht. Bei einer solchen Einstellung bezw. Bemessung des Widerstandes ist es also möglich, den Stossstrom vom fast zweifachen Wert auf den 1,25-fachen Wert herabzusetzen.
Diese Überlegungen fussen auf der An nahme, dass mit dem Kurzschliessen des Widerstandes so lange gewartet wird, bis das beim Einschalten des Widerstandes entste hende Gleichstromglied vollkommen abge klungen ist. Dafür sind Zeiten von zwei bis vier Halbwellen erforderlich, welche mitunter schon zu gross sind, da der Widerstand in die ser langen Zeit unnötig viel Energie aus dem Stromkreis aufnimmt, was einerseits für die Generatoren eine schwere stossweise Bean spruchung darstellt und die ausnutzbare Lei stung verringert, anderseits eine unnötige Vergrösserung des Widerstandes bedeutet. Es ist daher zweckmässig, die Zeit zwischen Ein schalten und Kurzschliessen des Widerstandes möglichst kurz zu bemessen.
Dabei muss dar auf geachtet werden, dass das vom Einschal ten her bestehende Gleichstromglied sich nicht im Augenblick des Kurzschliessens des Widerstandes zu dem neuentstehenden Gleichstromglied hinzu addiert und somit den Scheitelwert des Stossstromes unzulässig ver grössert. Dies würde aber immer dann ein treten, wenn die Einschaltdauer des Wider standes zwischen 0 und 1 Halbwellen oder zwischen 2 und 3 Halbwellen gewählt wird. Es lässt sich dies sicher dadurch vermeiden, dass die Einschaltdauer des Widerstandes zwischen 1 und 2 Halbwellen bezw. 3 und 4 Halbwellen bemessen wird. In diesen Fällen subtrahieren sich die beiden Gleichstromglie der im Augenblick des Kurzschliessens des Widerstandes, es ergibt sich also ein Mini mum an Stromvergrösserungen.
Die genauere Rechnung zeigt, dass bei einer Bemessung des Widerstandes entsprechend cos (p - 0,3 und einer Einschaltdauer von 1,5 Halbwellen überhaupt kein Ausgleichsvorgang beim Kurzschliessen des Widerstandes auftritt, un abhängig von dem Augenblick des Einschal tens. Man erreicht damit also bereits nach der kurzen Zeit von 1,5 Halbwellen einen absolut symmetrischen Strom in einem (nach dem Kurzschliessen des Widerstandes) praktisch induktiven Stromkreis. der für besondere Zwecke, zum Beispiel Schalterprüfung, von grosser Bedeutung ist.
Um das kurze Zeitintervall von 15 Milli- sekunden zwischen Einschalten des Wider standes und Kurzschliessen desselben ein halten zu können, ist es erforderlich, die Einschaltgeschwindigkeit möglichst kon stant zu halten. Zu dem Zweck wird da her eine möglichst konstante Einschalt kraft als Antrieb benutzt. Hierzu eignen sich zum Beispiel die Schwerkraft, wel che jedoch grosse Fallhöhen erfordert, sowie Einschaltfedern. Elektrische oder pneuma tische Antriebe sind wegen der Schwan kungen der Einschaltkraft bei Schwankungen des Stromes, der Spannung oder des Luft druckes weniger vorteilhaft.
Es ist also zweckmässig, den Schaltapparat mit einem exakt arbeitenden Federantrieb zu versehen, der zum Beispiel beim Ausschalten durch einen bekannten Antrieb, wie beispielsweise einen elektrischen oder pneumatischen An trieb wieder gespannt werden kann.
Mit besonderem Vorteil werden hierzu die mechanischen Glieder der Ausschalteinrich tungen mit so starken Auslösekräften, also beispielsweise so kräftigen Federn angetrie ben, da.ss die Reibungskräfte des mecha nischen Systems im Vergleich zu den durch diese Federn ausgeübten Beschleunigungs kräften praktisch vernachlässigbar klein wer den, wodurch die Genauigkeit gesteigert wird.
Die beiden schnell aufeinanderfolgenden Schaltvorgänge können in an sich bekannter weise durch ein Schaltorgan gesteuert oder ausgeführt werden, -welches zweimal nachein ander Kontakt macht.
Da, aber bei den grossen Kurzschlussströmen, für die die Sclialteinricb- tung bestimmt ist, im Augenblick des Be- r u **brens der Kontakte sehr eD o-rosse Strom- kräfte auftreten, welche unter Umständen die Schaltbewegung hemmen, ist es zweck mässig,
die beiden Schaltvorgänge durch zwei gesonderte Schaltorgane vornehmen zii lassen, die zumindest im Augenblick der Kontaktberührung nicht miteinander gekup pelt sind, so dass das Kurzschliessen des Widerstandes unabhängig von der Stellung des andern Schaltorganes, \welches denWider- stand einschalten soll, nach der beabsichtig ten kurzen Zeitspanne erfolgt.
Es ist möglich, die beiden Schaltorgane beim Beginn der Be wegung so miteinander zu verriegeln, da.ss sieh nicht etwa, aus Versehen das den Kurz schluss des Widerstandes bewirkende Schalt organ zuerst in Bewegung setzt, sondern nur beide gleichzeitig anlaufen können.
Es ist auch möglich. die Schalteinrieli- tung mit einer an sich bekannten synchronen Kommandogabe zu kombinieren, so dass, so lange diese ordnungsmässig arbeitet, Gleich stromglieder überbauet nicht- auftreten.
Der Vorteil der Schalteinrichtung besteht dann darin, dass im Falle eines Versagens des syn chronen Ablaufens das Gleichstromglied nicht den vollen Wert wie bei einem norma- len Einschaltapparat erreichen kann, sondern auf einen ungefährlichen Wert von einigen Prozenten begrenzt ist.
Der Einschaltapparat eignet sich auch be sonders für 111oAleistungsprüffelder, bei de- neu Prüfungen mit svninietrischem Kurz schlussstrom vorgenoininen werden sollen oder bei denen die Prüfanlage von den elektro- dviiamischen Stromkräften entlastet werden soll.
Unter Umständen lässt sich mit einer sol chen Schalteinrichtung bei bleicher elektro- dyiiamischer Strombelastung eine wesentliche Erhöhung fler Prüffeldleistung erzielen.